蒋小铭,张 斌

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

整流所内整流设备的稳定运行关系到整个电解铝厂的安全。为实现对整流设备状态的感知与管控,整流所设备的运维巡检一直是电解铝厂的重点工作内容之一。目前,整流所的运维工作基本以人工参与为主,部分铝厂采用了人工巡检、视频监控、综合检修等方式对整流所的设备进行人工或半人工方式管理。随着整流所的容量和设备数量不断增加,特别是对设备的安全运行和能源管理精细度的不断提高,设备运维工作量大量增加。另外企业为了控制人力成本受减员增效的压力越来越大,现场巡检人员或远程监管人员相对不足对铝厂生产造成了巨大的困扰。传统巡检工作的自动化、信息化、智能化水平较低,目前整流所除综合自动化系统外,各类在线监测系统由于接口规约等原因,未形成有机整体,且既有在线监测系统数量有限,整流所设备不能有效全面监控,从而导致不能对整流所及时进行维护,易出现漏检、错检等现象,导致作业质量、设备寿命、人身安全等方面具有极大的隐患。

1 数字孪生技术简介

数字孪生(Digital Twin,DT)是一个融合多学科、物理量和维度的模拟过程,兼容智能传感器、大数据、人工智能等前沿技术。DT 技术依托数字载体,通过在虚拟空间中构建物理实体映射,实时掌握物理实体的运行情况。针对状态评估算法中动态指标应用不足的问题,数字孪生的快速感知能力和数据全景显示功能可以有效捕捉设备运行中的各类自检和报警信息。为了缓解保护系统实时运行信息应用滞后的问题,数字孪生技术可以将获得的运行信息数字化为特征量,并建立数字模型,实时掌握和预测设备状态[1]。在对设备进行状态分析和维修决策后,数字孪生实时双向数据流可以传输设备状态评定或维修结果,帮助数字模型进行改进。数字孪生的数据资源中心通过结果反馈进行自我完善,在运行过程中可以不断更新故障推理知识库,完善推理规则。“数字阴影”可以自动获取物理对象的信息,模拟实体的实时状态,这是一个单向的过程。数字孪生可以实现实体与数字模型在虚拟空间中的双向数据交互,虚拟模型可以将命令和信息回传给实体,实现相互控制。在工业 4.0 的背景下开发了由数字孪生层、应用层、网络层、数字层、通信层和物理层组成的数字孪生参考架构,并将其应用于工业。

数字孪生是工业互联网落地的核心和关键,目前主要有两类实用场景:一类是产品数字化设计,主要体现在产品生命周期管理解决方案上;二是产品使用过程的数字化,主要的服务模式是基于状态的维护。整流所设备的设计、研发、测试及运维相对独立。各个环节的相关问题无法从设备全生命周期的角度进行综合管理。运维人员需要面对数据监控、网络监控、设备监控、业务系统监控、故障诊断和修复以及其他业务场景。信息类型多,关联关系复杂,运维信息抽象低效,“人-机-物”无法双向合作互动,故障诊断和故障排除困难。整流所智能交互设备技术成熟度和系统集成度不高,信息平台虚实映射交互能力不足,难以支撑整流所生产运行、安全监督管理等业务创新和智能交互。数字孪生利用物理模型、传感器更新、运行信息历史等,在虚拟空间完成整流所实体测绘设备,具有“全生命周期、实时、双向”的特点,可广泛应用于设备监测、设备检验、现场安全监测、虚拟业务场景,如电解铝厂利用数字化技术升级传统业务,提高全要素生产效率。通过建设数字化智能监控运维数字孪生应用服务组件,提高整流所全景监控显示、故障诊断预测、安全事件预警、“人机-物料”协同交互水平[2]。

2 整流所数字孪生运维系统设计原理

基于数字孪生的整流所智能运维系统,包括通过5G无线网络连接的整流所模组和集控站模组,集控站模组包括运维工作站、服务器和交换机;根据图1的技术路线搭建整流所设备数字孪生体各类数据传感监测设备。整流所模组包括信息建模模块、主设备监控模块、辅助设备监控模块、立体安全管控模块和三维虚拟巡视模块;交换机用于将整流所模组和集控站模组的信号直接转换交换,信息建模模块用于生成整流所的三维模型,将三维模型反馈到服务器并在运维工作站的操作电脑上完成整流所三维孪生可视化建模,主设备监控模块和辅助设备监控模块用于实时的监控整流所的运行情况,将监控到的信息反馈给服务器并对应显示在整流所三维孪生可视化模型上;立体安全管控模块用于三维孪生可视化模型中显示设备的带电状、模拟预演、边界划分和作业预警,为工作人员提供精准的检修步骤指导和检修路线指导。

图1 整流所数字孪生体设备

信息建模模块以基于现实物理环境精确仿真建立的三维模型为基础,在运维工作站的操作电脑上完成整流所三维孪生可视化建模,且完成的三维孪生可视化建模支撑无插件浏览器快速加载三维场景,实现三维全景浏览和沉浸式漫游,具备设备模型监测定位及台账信息点击查看功能,融合呈现设备台账信息及告警异常信息。

立体安全管控包括立体空间防误拓扑与校核、操作票三维模拟预演、检修作业边界划分和作业安全风险预警,立体空间防误拓扑与校核为根据设备连接关系拓扑分析出电器设备带电状态,作为空间安全边界校核的依据,并在可视化三维模型中动态着色显示;操作票三维模拟预演基于倒闸操作票操作序列[3],自动匹配设备的三维模型及动作动画,通过自动或单步预演操作票操作序列,在操作前基于实景对作业全过程进行危险分析和应对措施的提前准备;检修作业边界划分依据当前检修设备的状态、连接关系和操作顺序,智能形成三维展示界面,通过带电着色功能进行区分隔离边界、检修区域、安全区域和带电设备区域;作业安全风险预警对三维空间中各个设备对应区域进行空间关系计算,得到隔离边界、检修区域、带电范围等空间安全边界,对作业人员行为和轨迹进行实时监测和预警,支持对越界进入带电区域和危险区域、超出作业时间在作业区域逗留、进入非工作区域等危险行为进行预警提示。

主设备监控模块经正向隔离装置采集整流所原有主设备监控系统的运行数据,包括不限于一次设备信息及状态、二次设备信息及状态和各类报警及故障信息,并传输到整流所三维孪生可视化模型上,完成数字模型和三维模型的物理映射,以三维立体呈现方式实现主设备电器参量的实时监测和设备台账管理。

辅助设备监控模块包括设备在线监测、安全防范监测、动环监控、消防监测和视频监控,设备在线监测以实时数据、分析数据、历史数据和趋势分析展示形式,实现变压器类、整流器类、开关类、兼容设备及避雷器设备运行状态的在线监测功能;安全防范监测包括实时监测电子围栏、红外对射、红外双鉴及门禁设备的布防/撤防状态信息、运行工况信息、防区告警信息和故障告警信息,并实现防入侵设备报警确认和布防/撤防操作;动环监测对整流所环境参数、运行状态、通信状态和故障告警信息实时监测,并根据设定的阈值和告警实现对设备冷却系统、空调、风机就地闭环自动控制,并支持远方遥控;消防监测将整流所的消防主机采用modbus协议接入规约转化装置,用DL/T860送至辅助设备监控模块,实现对整流所火灾自动报警系统动作及状态信息的监控,并实现与视频监测的视频进行联动;视频监控用于实现整流所设备、环境和运维作业的多维度视频监测,通过视频智能分析识别技术,实现智能化应用,包括不限于整流所区域安全检测和人员管理;且视频监测与安全、消防、环境及主设备联动,及时跟踪现场状态变化,推送画面并拍照和录像,为后续分析提供依据。

三维虚拟巡视模块基于规划路径实施全站自动巡视和手动自由巡视,数据采集手段包括不限于图像识别、红外遥感、高频检测、RFID射频、各类无线传感器等技术,立体呈现巡视结果并同步推送异常数据状态,巡视点位与视频资源自动匹配,点击可推送关联画面,具备巡视点位的巡视资源覆盖分析,直观呈现已覆盖点位和未覆盖点位,并对未覆盖点位提供新增视频布点策略。

系统还包括告警管理模块,支持告警信息分级、独立视窗监视和告警与恢复;支持拓扑图方式监视系统状态、报警点位平面图定位和设备故障平面图定位;支持自动弹出告警窗、弹出联动信息和告警提醒,告警提醒方式可以采用语音警示、图元变色警示和闪烁警示等多种形式。

还包括数据统计分析模块,数据统计分析模块包括异常越界分析与告警、告警信息统计、作业违规信息统计和设备运行统计,异常越界分析与告警主要是通过设备的状态监测装置进行监视,如系统电压、电流、频率、变压器气体继电器、压力释放继电器、设备的温度、湿度、振动、局放、冷却水水温、水压和水质等测量值告警阈值,对于越过一级阈值的给予提示报警,越过二级阈值则推送严重告警,使运维人员及时发现设备运行异常情况;告警信息统计具体是按照电压等级和设备类别对整流所数据分别统计告警总数量,并按告警类型进行分类统计;作业违规信息统计具体是对作业过程中的各类人员违规行为分类统计;设备运行统计具体是对整流所设备运行情况分类统计,按设备在线率、故障率和故障时间统计。

3 整流所数字孪生运维系统应用实例

本文以国内某电解铝厂整流所数字孪生运维系统为例,说明该系统实际应用,如图2所示,数字孪生整流所智能运维系统,包括通过5G无线网络连接的整流所模组和集控站模组,集控站模组包括运维工作站、服务器和交换机;整流所模组包括信息建模模块、主设备监控模块、辅助设备监控模块、立体安全管控模块和三维虚拟巡视模块;交换机用于将整流所模组和集控站模组的信号直接转换交换,信息建模模块以数字孪生建立的三维模型为基础,在运维工作站的操作电脑上完成整流所三维数字孪生可视化建模,且完成的三维数字孪生可视化建模支撑无插件浏览器快速加载三维场景,实现三维全景浏览和沉浸式漫游,具备设备模型监测定位及台账信息点击查看功能,融合呈现设备台账信息及告警异常信息;立体安全管控包括立体空间防误拓扑与校核、操作票三维模拟预演、检修作业边界划分和作业安全风险预警异常信息;立体安全管控包括立体空间防误拓扑与校核、操作票三维模拟预演、检修作业边界划分和作业安全风险预警。

图2 基于数字孪生整流所设备运维系统模型

数字孪生整流所智能运维系统的具体运作如下:信息建模模块以数字孪生建立的三维模型为基础,在运维工作站的操作电脑上完成整流所三维数字孪生可视化建模,主设备监控模块主设备监控模块经正向隔离装置采集整流所原有主设备监控系统的运行数据,包括不限于一次设备状态、二次设备状态及状态和各类报警及故障信息,并传输点映到整流所三维孪生可视化模型上,辅助设备监控模块进行设备在线监测、安全防范监测、动环监控、消防监测和视频监控,设备在线监测(包括避雷器在线监测,整流变压器及动力变压器油色谱在线监测、绕组光纤在线测温、铁芯/夹件接地电流监测、局部放电监测,整流器及其冷却系统的在线桥臂温度、均流数据、冷却水压力、温度、流量、水质,以及供电系统电压、电流、频率等数字表在线监测等);安全防范监测包括实时监测电子围栏、红外对射、红外双鉴及门禁设备的布防/撤防状态信息、运行工况信息、防区告警信息和故障告警信息,并实现防入侵设备报警确认和布防/撤防操作;动环监测对整流所环境参数、运行状态、通信状态和故障告警信息实时监测,并根据设定的阈值和告警实现对设备冷却系统、空调、水泵就地闭环自动控制,并支持远方遥控;消防监测将整流所的消防主机采用modbus协议接入规约转化装置,通过5G无线网络送至辅助设备监控模块,实现对整流所火灾自动报警系统动作及状态信息的监控,视频监控用于实现整流所设备、环境和运维作业的多维度视频监测,通过视频智能分析识别技术,实现智能化应用,包括不限于变电站区域安全检测和人员管理;且视频监测与安全、消防、环境及主设备联动,及时跟踪现场状态变化,推送画面并拍照和录像,为后续分析提供依据;三维虚拟巡视模块基于规划路径实施全站自动巡视和手动自由巡视,立体呈现巡视结果,巡视点位与视频资源自动匹配,点击可推送关联画面,具备巡视点位的巡视资源覆盖分析,直管呈现已覆盖点位和未覆盖点位,并对未覆盖点位提供新增视频布点策略。

4 结 语

针对整流所设备运维,本文创新结合数字孪生技术,利用智能终端接收管理系统、数字孪生平台、现场巡检决策系统一体化巡检整流所设备,以优化管理流程为导向,以数字孪生平台为载体,结合设备状态和趋势进行预判和分析,并给予解决方案,调取厂家资料,与专家、AI协同诊断,协助运维人员对整流所设备进行全生命周期的运维管理,可以做到全过程闭环管理控制,提高作业效率及设备使用年限[4-5]。使用数字孪生体系整流所运维系统,将整流所的设备信息、巡检信息、环境信息等全部以镜像化展现在终端上,辅助巡检管理员分析诊断设备问题及有效决策,以数字仿真替代方式解决了巡检人员在现场作业的安全问题,以整流所全天候、全自主巡检方式为巡检工作提供安全高效的作业方式、经济的运维成本、智能化管理模式,有效降低电解铝厂整流所的运营成本,确保电解铝厂供电整流的安全、可靠生产运行。